metodo di progettazione di materiali idrogelconduttivi, stampabili in 3D, autoriparanti per renderli meccanicamente stabili

Compositi di idrogel iniettabili stampati 3D studiati per l’uso in varie applicazioni biomediche

Sembra sicuro affermare che i materiali autoriparanti sono estremamente affascinanti. Il mondo della stampa 3D ha mostrato loro un crescente interesse ultimamente, con potenziali applicazioni tra cui dispositivi elettronici e sostituzioni di cartilagine . La scorsa estate, un team di ricercatori  dell’università di Manitoba ha  creato un nuovo metodo di progettazione di materiali idrogelconduttivi, stampabili in 3D, autoriparanti per renderli meccanicamente stabili, che comportava sia il cross-linking fisico che chimico.

Schema degli idrogel iniettabili “A + B” usando la siringa a doppia canna, che sono reticolati da legami covalenti durante o dopo l’iniezione.
Gli idrogel 3D sono reti polimeriche idrofile reticolate da legami covalenti chimici, interazioni fisiche o una combinazione dei due. A causa dei collegamenti incrociati tra le catene polimeriche e la loro natura idrofila, gli idrogel possono effettivamente gonfiarsi fino a cento volte, o anche un migliaio, della loro massa secca senza dover essere dissolti in acqua.

Mentre gli idrogel venivano pre-preparati e impiantati in siti bersaglio all’interno del corpo umano durante le procedure chirurgiche, ora possono essere facilmente iniettati da una siringa attraverso un ago sottile, rendendo il materiale perfetto per applicazioni biomediche.

Secondo una tesi, intitolata ” Iniettabili compositi idrogel basati su metallo-legante assemblaggio per applicazioni biomediche “, di Liyang Shi con l’Università di Uppsala in Svezia, gli idrogel iniettabili sono molto utili nello sviluppo di procedure chirurgiche minimamente invasive, in quanto “evitano danni ai tessuti circostanti” durante l’impianto chirurgico “e può facilmente riempire i difetti con forme complesse in situ . Inoltre, non è difficile stampare in 3D gli idrogel iniettabili in modo da formare idrogel di morfologia più avanzati e personalizzati automatizzando la loro estrusione da una siringa e programmando il movimento in un file CAD.

L’abstract della dissertazione di Shi recita: “Questa tesi presenta nuove strategie per costruire idrogel iniettabili e le loro varie applicazioni biomediche, come la stampa 3D, la medicina rigenerativa e la somministrazione di farmaci. Questi idrogel reticolato da legami dinamici di coordinazione metallo-ligando mostrano proprietà di assottigliamento e autotestamento, risultando nella finestra temporale illimitata per l’iniezione. Rispetto alle reti non dinamiche basate su precursori di polimeri liquidi chimicamente reattivi che formano legame covalente durante e / o post-iniezione, i nostri idrogel iniettabili con cross linking dinamico possono essere iniettati da uno stato idrogel già reticolato. ”
Panoramica di vari idrogel basati su HA-BP presentati in questa tesi e applicazioni biomediche per cui sono stati utilizzati gli idrogel. Derivati ​​L’HA-BP (i), l’HA-BP (ii) e l’HA-BP (iii) rappresentano tre diversi tipi di attaccamento delle porzioni BP alla spina dorsale di HA.
Shi ha usato l’acido ialuronico (HA) come polimero, perché è sia biocompatibile che biodegradabile. In primo luogo, è stato modificato con bifosfonato (BP) come chelante (legante eterociclico a base di composti chimici).

“Nella prima parte di questa tesi, ho presentato i diversi approcci chimici per sintetizzare derivati ​​di HA modificati (HA-BP) modificati dalla BP e derivati ​​di HA modificati a tempo con gruppi di BP e acrilammide (Am-HA-BP). Le strutture dei derivati ​​di HA-BP sono state confermate mediante caratterizzazioni NMR, ad esempio dal picco a 2,18 ppm per i protoni di metilene adiacenti al carbonio a ponte di BP nello spettro 1H-NMR e al picco di fosforo a 18,27 ppm nello spettro 31P-NMR, rispettivamente, ” Shi ha continuato. “Nella parte successiva, gli idrogel sono stati costruiti miscelando semplicemente la soluzione HA-BP o Am-HA-BP con ioni Ca2 + (carta I), ioni Ag + (carta II), microfibre di seta rivestite con fosfonato di calcio (CaP @ mSF) ( Carta III) e nanoparticelle di silicato di magnesio (MgSiO3) (Carta IV). ”
I precursori di idrogel costituiti dalla catena polimerica contenente gruppi reticolabili UV vengono espulsi dalla siringa in liquidi che sono seguiti da polimerizzazione reticolato in zona difettosa usando luce.
Gli idrogel creati durante l’esperimento “hanno esibito caratteristiche dinamiche” come il taglio del rasoio e le proprietà autorigeneranti. Shi ha applicato quattro tipi di idrogel basati su HA-BP a diverse applicazioni biomediche, tra cui la stampa 3D, la guarigione delle ferite, la rigenerazione ossea e il rilascio controllato di farmaci anti-cancro.

“Inoltre, è stato dimostrato che gli idrogel reversibili di coordinazione sono ulteriormente covalentemente reticolato dalla luce UV per formare un collegamento trasversale secondario, consentendo un aumento della forza e del modulo degli idrogel”, ha scritto Shi. “Nell’ultima parte di questa tesi sono state presentate applicazioni biomediche di questi idrogel “.
Shi ha utilizzato una stampante 3D fatta in casa per estrudere Am-HA-BP • Ca2 + idrogel, prima di utilizzare la radiazione UV per creare un costrutto simile a un tubo 3D con più strati. Utilizzando un modello di ratto con difetti cutanei a tutto spessore, HA-BP • Ag + idrogel è stato in grado di aumentare il processo di guarigione delle ferite, insieme allo spessore del nuovo strato epidermico del ratto.

Inoltre, l’idrogel CaP @ mSF con doppio reticolato Am-HA-BP • CaP @ mSF è stato in grado di indurre la formazione di nuovo osso, senza dover aggiungere fattori o cellule biologiche. Infine, l’idrogel caricato con farmaci antitumorali è stato preparato miscelando la soluzione HA-BP con nanoparticelle MgSiO3 caricate con farmaci; le particelle rilasciate da questa combinazione “hanno dimostrato di essere assorbite dalle cellule tumorali per indurre una risposta tossica”.

Processo di preparazione e proprietà iniettabili di HA-BP • Idrogel CaP @ mSF. L’idrogel è formato dall’aggiunta del legante polimerico HA-BP alla dispersione di CaP @ mSF e dalla reticolazione mediante i legami di coordinazione dei gruppi BP sulle ossa dorsali HA e CaP sulle microfibre. Per la visualizzazione, l’alcian blue come colorante è stato dissolto nell’idrogel.
“In sintesi, questa tesi presenta strategie chimiche di coordinazione metallo-ligando per costruire idrogel iniettabili con cross-linking dinamico con conseguente comportamento di iniezione indipendente dal tempo. Questi idrogel aprono nuove possibilità per l’uso in aree biomediche “, ha concluso Shi.

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